本發(fā)明涉及水處理領域，且特別涉及一種微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置。

背景技術：

隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展，印染、造紙、焦化、塑料、合成纖維等行業(yè)產生了越來越多難降解的有機物，造成了嚴重的環(huán)境污染問題。這類污染物包括有機染料、表面活性劑、抗生素等，其具有毒性大、成分復雜、化學耗氧量高，降解難度高的特點。

光催化技術成為處理難降解有機廢水的研究熱點之一。在紫外光或太陽光的照射下，半導體催化劑能夠產生空穴，空穴和水分子作用，產生強氧化性的羥基自由基，有效氧化廢水中的各類有機物。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，光催化技術的處理效率始終難以達到實際應用的水平。這是由于以寬帶隙半導體材料作為光催化劑，需要吸收較大的能量才能激發(fā)價帶的電子躍遷，因而在傳統(tǒng)光催化中量子效率并不高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置，此裝置通過微波場、紫外光和催化劑協(xié)同降解反應，并結合納濾陶瓷膜的分離效應，達到良好的水凈化效果。

本發(fā)明解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。

本發(fā)明提出一種微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置，包括：

廢水循環(huán)系統(tǒng)，用于形成廢水循環(huán)回路；

微波儀，用于產生微波；

廢水反應室，裝設于微波儀的腔室內，廢水反應室設有用于廢水進入的進水口以及使凈化后的廢水排出的排水口；

微波光催化陶瓷膜反應器，裝設于廢水反應室中，包括陶瓷膜管，以及設于陶瓷膜管的通道內的無極紫外燈，陶瓷膜管的內表面涂覆有光催化劑；

廢水通過廢水循環(huán)系統(tǒng)在微波光催化陶瓷膜反應器內循環(huán)流動。

本發(fā)明實施例的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置的有益效果是：

在反應裝置中施加微波輻照，既可以用于點亮無極紫外燈，還能夠利用微波與其他廢水降解手段形成協(xié)同作用，縮短反應時間，提高反應效率。

采用紫外光內輻射的模式，直接將無極紫外燈管置于每根陶瓷膜管中，并在陶瓷膜管內壁涂覆光催化劑，使每根陶瓷膜管成為一個獨立的微波光催化陶瓷膜反應器，裝置的集光效果更好，催化劑能接受更為充分的紫外光照射，光催化效率更高。

廢水循環(huán)系統(tǒng)使廢水在微波光催化陶瓷膜反應器中不斷循環(huán)，達到良好的凈化效果。

本發(fā)明的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置同時對廢水進行微波光催化和膜分離處理，多種降解手段協(xié)同增效，達到極佳的處理效率。且該設計能在一套裝置里同時實現(xiàn)微波光催化和陶瓷膜分離，設備集成度高，處理效果好，在自來水廠、污水廠、水產養(yǎng)殖、家禽養(yǎng)殖、醫(yī)院和藥廠等領域均有較好的應用前景。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中的廢水反應室的俯視圖。

附圖標記匯總如下：100-微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置；10-廢水循環(huán)系統(tǒng)；11-儲水箱；12-循環(huán)泵；13-出水管路；14-進水管路；15-閥門；20-微波儀；21-磁控管；30-廢水反應室；31-進水口；32-排水口；33-布流板；34-通孔；35-蓋板；36-出水口；37-法蘭；40-微波光催化陶瓷膜反應器；41-陶瓷膜管；42-無極紫外燈；43-光催化劑。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施方式的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施方式中的附圖，對本發(fā)明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發(fā)明一部分實施方式，而不是全部的實施方式?；诒景l(fā)明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發(fā)明保護的范圍。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施方式的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施方式?；诒景l(fā)明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本發(fā)明中，實施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規(guī)產品。

下面對本發(fā)明實施例的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置進行具體說明。

參照圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例提供一種微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置100，包括：廢水循環(huán)系統(tǒng)10、微波儀20、廢水反應室30和微波光催化陶瓷膜反應器40。

廢水循環(huán)系統(tǒng)10包括儲水箱11、循環(huán)泵12、出水管路13和進水管路14，用于形成廢水的循環(huán)回路。循環(huán)泵12設置在進水管路14或出水管路13的上，用于為廢水循環(huán)流動提供動力。在出水管路13上設有閥門15。當閥門15打開后，儲水箱11中的廢水在循環(huán)泵12的作用下流經出水管路13，然后進入微波光催化陶瓷膜反應器40中。從微波光催化陶瓷膜反應器40中出來的廢水再進入進水管路14中，回到儲水箱11中，進行循環(huán)流動。

使廢水形成循環(huán)，廢水進行動態(tài)過濾過程，能夠加快污染物的降解速率，且循環(huán)過程能夠使廢水進行多次降解過程，保證良好的水凈化效果。

微波儀20為微波發(fā)生裝置，用于為反應體系提供微波。具體地，微波儀20內設有磁控管21，使得微波儀20的腔室成為微波的諧振腔。微波的頻率大約在300mhz-300ghz，具有電磁波的性質。施加微波輻照，一方面是用于點亮無極紫外燈42，無需增設另外的電源裝置，保證紫外光源穩(wěn)定輸出。另一方面，在微波光催化陶瓷膜反應器40中形成微波場，加強對廢水的降解效果。

廢水反應室30裝設在微波儀20的腔室內，用于盛裝廢水，形成水凈化反應的容器。在本發(fā)明的實施例中，廢水反應室30為透明容器，便于觀測水凈化過程，有效監(jiān)控反應過程。進一步優(yōu)選地，廢水反應室30為有機玻璃反應室。有機玻璃是透明材料中質地最優(yōu)異、價格最適宜的材料，其無毒環(huán)保，具有良好的化學穩(wěn)定性和耐候性，能夠充分滿足水凈化的需求。

廢水反應室30具有進水口31和排水口32，進水口31用于使廢水進入到廢水反應室30中，排水口32用于將凈化完成的水排出。優(yōu)選地，將排水口32設置在廢水反應室30的側壁，便于廢水凈化完成后能夠及時排出。進水口31設置在廢水反應室30的底部，在循環(huán)泵12的作用下進入廢水反應室30內。更進一步地，廢水反應室30整體呈圓筒狀，能夠充分有效利用空間。

微波光催化陶瓷膜反應器40裝設于廢水反應室30中，包括陶瓷膜管41、無極紫外燈42和光催化劑43。無極紫外燈42裝設在陶瓷膜管41的通道內，陶瓷膜管41的內表面涂覆有光催化劑43。

以無極紫外燈42作為微波光催化陶瓷膜反應器40的光源。在本發(fā)明的實施例中，無極紫外燈42不設金屬電極，無需通過電激發(fā)，而是由微波激發(fā)，且無需電極。與傳統(tǒng)紫外燈相比，微波無極紫外燈發(fā)光管小型化、光強大、光效高、壽命長、制作成本低，而且設計自由度大，所需更換維修次數(shù)極少，適用于維修困難場合。此外，無極紫外燈42直接通過微波激發(fā)，簡化了結構、降低生產成本，使裝置的安全性能得到提高。特別是，微波無極紫外燈在紫外光區(qū)的輻射效率很高，明顯優(yōu)于普通的有電極低壓汞燈。微波激發(fā)下無極紫外燈能發(fā)射出主發(fā)射波長在uv-c波段和vuv波段的紫外光。短波長的紫外光輻射具有更高的能量，能夠直接破壞污染物分子結構，有效去除污染物。優(yōu)選地，在本實施例中，無極紫外燈42中主要填充低壓汞蒸氣。

同時，由微波激發(fā)的無極紫外燈42直接設置在陶瓷膜管41的通道內。相比于現(xiàn)有技術中，需要在紫外燈外設置石英套管，本發(fā)明實施例中的設置使得在水凈化過程中，無極紫外燈42直接浸沒在廢水中，促進廢水對紫外光的吸收。此外，陶瓷膜管41內的廢水形成無極紫外燈42的降溫裝置，有效保證裝置的使用壽命。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，無極紫外燈42具有超出廢水反應室30的延伸部。進一步地，延伸部的長度為3～5cm。延伸部不與液體相接觸，保證無極紫外燈42接受充分的微波輻照，能穩(wěn)定點亮。同時，避免由廢水和無極紫外燈42競爭吸收微波導致燈無法點亮或導致紫外燈亮度低的現(xiàn)象發(fā)生。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，陶瓷膜管41中的陶瓷膜為納濾陶瓷膜，孔徑小于或等于2nm。陶瓷膜可以有效對對廢水進行膜分離，在外力的作用下，大部分的雜質被陶瓷膜截留。且納濾級的陶瓷膜能夠截留小分子量的有機物和鹽類，同時還具有良好的除菌作用。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，陶瓷膜管41為單通道陶瓷膜管，陶瓷膜管41的內徑優(yōu)選為1～8cm，進一步優(yōu)選為2～6cm。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，無極紫外燈42大致位于陶瓷膜管41的軸心位置。無極紫外燈42的表面距離陶瓷膜管41內壁的徑向距離為1～3cm。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，光催化劑43的材料選自tio2、zno、cds、摻雜tio2的半導體光催化材料中的一種或多種。進一步地，光催化劑43涂覆于陶瓷膜管41的整個內表面。選用上述的光催化劑43，能夠達到更好的催化效果。特別是，tio2、zno、cds、zro2為納米級的半導體光催化劑，涂覆于陶瓷膜管41的內表面，除了發(fā)揮光催化劑43本身的光催化功能外，還使得陶瓷膜管41的內表面形成一層納濾膜，使得陶瓷膜管41達到納濾級別，從而有效地對廢水進行凈化。

將無極紫外燈42設置在陶瓷膜管41的軸心位置，光催化劑43涂覆在陶瓷膜管41的內表面。保證陶瓷膜管41內的廢水和光催化劑43能夠充分接受無極紫外燈42的輻射。光催化劑43所在的位置均能夠受到紫外光的輻照，紫外輻照效率高，光催化反應效率高。

發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，陶瓷膜管41和無極紫外燈42的距離會明顯影響光催化反應效率。兩者距離過近，則使得進入微波光催化陶瓷膜反應器40中的廢水量過少，水凈化成本高。兩者距離過遠，則會極大降低廢水和光催化劑43的紫外輻照效率，影響水凈化效率。當無極紫外燈42的表面距離陶瓷膜管41內壁的徑向距離為1～3cm時，保證微波紫外光高效穿透廢水，且對光催化劑43形成良好輻射，水凈化效率達到最佳。

光催化劑43能夠和微波發(fā)生協(xié)同增效的效應，在微波場的作用下，光催化劑43產生更多的缺陷。由于陷阱效應，缺陷將成為電子或空穴的捕獲中心，減低電子與空穴的復合率。同時，微波能夠促進光催化劑43表面·oh的生成，提高光催化效率。微波場對光催化劑43具有極化作用，能有效增強光催化劑43表面的光吸收。此外，微波場中水分子間的氫鍵被打斷，抑制廢水在光催化劑43表面的吸附，提高光催化劑43的活性。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，微波光催化陶瓷膜反應器40豎向設置在廢水反應室30中，廢水在循環(huán)泵12的作用下，從廢水反應室30底部的進水口31進入陶瓷膜管41的通道中，廢水在該通道中做循環(huán)運動，因此，廢水在陶瓷膜管41的內表面形成錯流過濾。

錯流過濾的過程中，一部分廢水以切線通過的方式濾出，另一部分廢水在陶瓷膜管41的通道內形成湍流，不斷沖洗陶瓷膜管41的內表面，將少量附著在膜上的固形物帶走，有效防止陶瓷膜的堵塞，保證膜分離過程的順利進行。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，廢水反應室30內設置有5～9個微波光催化陶瓷膜反應器40，進一步優(yōu)選為7個。更為優(yōu)選地，相鄰兩個微波光催化陶瓷膜反應器40的間距相等。相鄰兩個微波光催化陶瓷膜反應器40的間距優(yōu)選為2～5cm。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，廢水反應室30靠近底部的位置設有布流板33。微波光催化陶瓷膜反應器40設置在布流板33上，布流板33對微波光催化陶瓷膜反應器40形成支撐作用，且布流板33成為微波光催化陶瓷膜反應器40的進水端。布流板33上開設有使廢水進入陶瓷膜管41內的通孔34。

布流板33只在陶瓷膜管41的底部開設通孔34，可以使廢水進入微波光催化陶瓷膜反應器40。布流板33其他地方為封閉結構。在該結構下，廢水反應室30形成3個區(qū)域，位于廢水反應室30底部的廢水進入區(qū)i、位于微波光催化陶瓷膜反應器40內的廢水反應區(qū)ii、位于微波光催化陶瓷膜反應器40外周的凈化水容置區(qū)iii。廢水進入區(qū)i只與廢水反應區(qū)ii相連通，廢水反應區(qū)ii的廢水透過陶瓷膜管41進入凈化水容置區(qū)iii。廢水進入區(qū)i和凈化水容置區(qū)iii彼此隔離。保證透過陶瓷膜管41完成凈化的水與進入廢水反應室30的廢水不發(fā)生混合。

進一步地，通孔34為多個，只開設在陶瓷膜管41的底部。通孔34的孔徑為0.5～1cm。廢水經過通過進水口31進入廢水反應室30，并通過只在陶瓷膜管41底部開設的通孔34進入每個微波光催化陶瓷膜反應器40中。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，廢水反應室30的頂部設有蓋板35，蓋板35為微波光催化陶瓷膜反應器40的出水端。蓋板35上開設有使廢水流出陶瓷膜管41的出水口36。出水口36與微波光催化陶瓷膜反應器40的位置和個數(shù)相互對應。多個微波光催化陶瓷膜反應器40的存在，使得蓋板35上形成分散性的出水口36。每個出水口36均連接至出水管路13，廢水從微波光催化陶瓷膜反應器40頂端的出水口36進入出水管路13，回到儲水箱11中，然后進入下一個循環(huán)。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，蓋板35和廢水反應室30可拆卸連接。在本實施例中，蓋板35和廢水反應室30通過法蘭37連接?？梢岳斫獾氖牵诒景l(fā)明的其他實施例中，可拆卸連接方式也可是卡扣連接、鉸接等，但不局限于此。

蓋板35和廢水反應室30可拆卸連接，便于裝置的拆卸清洗和檢查維護，使用方便，維護成本低。

進一步地，蓋板35、陶瓷膜管41以及廢水反應室30的壁接觸處均采用橡膠圈進行密封。

進一步地，在本發(fā)明較佳的實施例中，根據廢水的降解難度控制閥門15，調節(jié)廢水在微波光催化陶瓷膜反應器40中的停留時間，達到較佳的處理效果。當廢水濃度小于0.4g/l時，廢水的流速為12～15l/min；當廢水濃度大于或等于0.4g/l、小于0.8g/l時，廢水的流速為8～12l/min；當廢水濃度大于或等于0.8g/l時，廢水的流速為4～8l/min。

采用上述的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置100進行水凈化的反應流程為：

將一定量的廢水儲水箱11中，開啟閥門15和循環(huán)泵12，廢水依次通過進水管路14、廢水反應室30的進水口31和布流板33進入陶瓷膜管41的通道中。待廢水通過一個循環(huán)再次匯入儲水箱11中時，開啟微波儀20，待無極紫外燈42穩(wěn)定點亮后開始計算反應時間。待處理的廢水在每根陶瓷膜管41中垂直向上流動，部分反應液透過陶瓷膜管41進入廢水反應室30中，并通過廢水反應室30的排水口32排出。剩余廢水繼續(xù)沿陶瓷膜管41的管壁向上通過分散出水口36排出，通過出水管路13再次匯入儲水箱11中，進行循環(huán)流動。

綜上，采用微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置100進行水凈化，將陶瓷膜管41設置成單通道形式，陶瓷膜管41的通道內容置有無極紫外燈42，并在陶瓷膜管41的內表面涂覆光催化劑層。每根陶瓷膜管41形成獨立的微波光催化陶瓷膜反應器40，集光效果更好，光催化劑能接受更充分的紫外光照射，光催化效果得到顯著提高。且在微波光催化陶瓷膜反應器40內形成紫外內輻射的模式，光催化劑43能接受更為充分的紫外光照射，光催化效率高。

微波和紫外具有協(xié)同效應，能夠加快反應過程中羥基自由基的形成，提高光催化劑的表面活性。微波和紫外能夠同時作用于反應物，加劇反應物分子運動，降低反應活化能，加快反應速度。微波還能夠誘導廢水催化氧化反應，具有氧化快速、不帶入新的污染物，省時節(jié)能，簡化操作程序的優(yōu)點。

微波場、紫外光、催化劑以及膜分離技術協(xié)同作用，解決傳統(tǒng)光催化劑量子效率不高的問題，促進光催化劑的紫外光吸收和反應體系中·oh的生產，縮短反應時間，提高污染物降解效果。廢水經過微波場、紫外輻射、光催化、納濾陶瓷膜分離，且不斷進行循環(huán)降解，達到良好的水凈化效果。

本發(fā)明實施例還提供一種基于微波光催化-陶瓷膜耦合的凈水方法，包括如下步驟：

s1：使廢水在儲水箱11和微波光催化陶瓷膜反應器40間循環(huán)流動；

s2：s1中的廢水在微波光催化陶瓷膜反應器40中進行微波場、紫外光和催化劑協(xié)同降解反應，且同時進行陶瓷膜分離過程；

s4：s3中的廢水部分透過陶瓷膜完成凈化，剩余的廢水從微波光催化陶瓷膜反應器40流出后進入儲水箱11。

具體地，采用上述的微波光催化-陶瓷膜耦合凈水裝置100實現(xiàn)上述凈水方法。廢水通過廢水循環(huán)系統(tǒng)10在在儲水箱11和微波光催化陶瓷膜反應器40間循環(huán)流動。廢水通過布流板33實現(xiàn)過濾，然后進入微波光催化陶瓷膜反應器40。廢水在微波光催化陶瓷膜反應器40中進行微波場、紫外光和催化劑協(xié)同降解反應，且同時進行陶瓷膜分離過程。廢水部分經過陶瓷膜分離完成凈化從排水口32排出，剩余的廢水從分散式出水口36流出后進入儲水箱11。

進一步地，廢水凈化過程中，微波的輸出功率為300～700w。更進一步地，微波輸出功率為400～500w。在該輸出功率下，一方面能夠保證無機紫外燈42的穩(wěn)定點亮，達到良好的水凈化效果。且該功率下能夠保證良好去除率的效果下，避免浪費過多能耗。

進一步地，廢水凈化過程中，隨著微波功率的升高，紫外光強隨之升高，在上述微波功率下，能夠保證足夠的紫外光強下，能夠達到較佳的水凈化效果。

試驗例

以初始濃度為500μg/l的磺胺甲基異惡唑溶液作為反應液，模擬水凈化過程。采用微波、紫外輻照和光催化劑協(xié)同降解時，微波功率為400w時，紫外光強240μw/cm²，反應140s，磺胺甲基異惡唑的去除率可以達到96.7％。而只采用紫外光輻照，不在反應裝置施加微波場，同樣條件下磺胺甲基異惡唑的去除率是75.24％。

以上所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。